2010年7月14～18日四川大暴雨过程区域模式预报性能分析

本文应用高空与地面常规观测资料,自动站资料以及2010年西南涡科学观测试验资料等,就西南区域气象中心运行的GRAPES模式、AREM模式、MM5模式以及基于WRF模式的RUC系统对发生在2010年7月14～18日四川大暴雨过程预报情况进行分析。结果表明,从降水预报,到影响系统,以及单点地面、高空要素预报,尽管各区域模式表现出对此大暴雨过程有一定的预报能力,但存在着不同程度差异,如降水落区、降水强度偏差,影响系统的偏离等。当分析模式定点预报时,预报偏差更为明显。相对而言,WRF模式预报结果略好于其它模式的预报。造成模式预报偏差的原因还有待作进一步分析研究。     

区域中尺度模式对西南地区一次强降水过程的预报分析

为了认识区域数值模式对西南地区降水预报能力,探索降水预报误差原因,本文应用MICAP资料,NCEP再分析资料,FY-2E辐射亮温资料,自动站资料,西南涡加密观测资料等,针对2012年7月2～5日西南地区一次强降水过程,分析了西南区域中心运行的WRF模式和GRAPES中尺度模式的预报能力,得到：（1）两模式不同程度反映了本次强降水过程.相对而言,WRF模式的预报略好于GRAPES,得益于WRF模式对对流层中低层温度、水汽、流场等演变的较好反映.（2）两模式预报对流层中低层温度偏差总体呈现正偏差,GRAPES模式呈现较大的温度偏差,正偏差特征更显著.两模式不同程度出现空报降水,特别是在高原东南坡.GRAPES模式空报雨区特征更明显.（3）两模式预报近地层湿度较实况大,都预报高原南坡,特别是高原东南坡风场辐合、水汽场辐合偏强,可能是造成虚假降水的主要原因.（4）较实况,WRF模式预报对流层高层的高压和对流层中低层的低压系统偏强,GRAPES模式预报西南低空急流偏强（可能是引起温度正偏差的原因）,两个模式预报的对流层正涡度较深厚,辐合上升运动强,这些可能是造成降水预报偏差的原因.     

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其3DVAR（3-Dimentional Variational）资料同化系统,采用36 km、12 km 、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 hPa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 hPa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。     

青藏高原东侧常规观测资料对WRF模式预报误差的贡献分析

利用WRFDA-FSO(Forecast Sensitivity to Observation)系统,统计分析2009年和2010年5—10月青藏高原东侧常规地面和高空观测对WRF模式预报误差的贡献。结果表明:地面观测资料各要素中,温度场对模式预报误差贡献最大,风场、气压和水汽场的贡献相对小;四川东部、广西大部和云南南部边缘地区的资料对改进预报产生正贡献较大。高空资料各要素中,温度场对模式预报误差贡献最大,其次是水汽场,风场贡献最小;高空站资料对改进预报产生正贡献较大的区域主要分布在云南大部、贵州西部边缘和广西西北部边缘地区。依据误差统计结果,剔除对改进预报产生负贡献较大的地面和高空站资料后,模式降水和温度预报效果有所改善。     

一次低涡暴雨过程发生机制及其模式预报分析

为了揭示低涡暴雨发生机制,认识高分辨率的区域数值模式对低涡暴雨类天气的预报能力,应用多种观测资料,NCEP再分析资料和区域数值模式WRF和GRAPES预报资料,分析了2012年7月20—23日西南地区一次高原涡和西南涡带来的大暴雨过程。研究结果表明:(1)高原低涡与西南低涡耦合有利于低涡发展维持,中层的正涡度平流、低层的辐合上升运动是低涡发展的重要机制。低涡强烈发展时期,对流系统发展极为强盛,-64℃云盖呈圆形。(2)对流层中低层低涡的维持和发展,使四川盆地处于辐合上升环流控制中,提供了有利于降水的动、热力条件,是盆地强降水发生的重要机制。(3)两个模式都较好地反映了低涡影响下的盆地大暴雨过程。与实况的差异主要表现在降水发生时间提前,降水落区移动偏快或偏慢,有利于降水的动、热力场更强等等。相对而言,WRF模式预报与实况更接近。模式预报的低涡位置及伴随的物理量演变决定了降水预报的差异。     

华中区域LRUC系统的构建与试验

如何将区域观测资料在中尺度模式中快速有效同化是提高区域精细化数值预报准确率和时效性的关键所在。本文简单介绍了基于LAPS和WRF建立的快速循环同化预报系统LRUC,以一次影响长江中游的典型梅雨锋暴雨过程为例,设计几种试验方案,结合实况降水分布,对比分析华中区域多普勒雷达资料循环同化对改善暴雨预报的作用;根据个例试验结果,设计批量后报试验方案,对比分析雷达资料同化对华中区域2007年主汛期(6—8月)多个时效降水预报评分。暴雨个例试验结果表明,华中区域多普勒雷达资料在LAPS中的同化,能为WRF提供更优初值场;同化华中区域地面资料和雷达资料后,比仅同化地面资料更能改进模式初值,改善模式降水预报,且降雨量级越大,24 h降水预报TS评分越高。批量后报试验结果表明,建立的快速循环同化预报系统LRUC,能对区域多源观测资料进行多时次循环同化分析,为模式初值增加观测资料的时间演变信息,提高模式对暴雨量级降水的预报水平;系统具有稳定性和一定的评分水平。     

GRAPES_MESO模式对一次强降水过程的预报及误差分析

本文应用西南低涡大气科学试验加密观测资料,常规探空与地面资料,自动站资料等,分析国家数值预报中心运行的GRAPES_MESO中尺度模式对2010年7月14～19日四川强降水过程预报能力.结果表明,模式降水预报能一定程度反映实况降水.在模式误差分析基础上,指出造成降水预报偏差的可能原因是模式预报的高度场持续偏低,预报低值系统偏强,高值系统偏弱,不利于四川上空的辐合低值系统维持;预报的登陆台风强度偏强,台风外围气流与副高外围环流结合,导致西南低空急流较强,加之,模式预报盆地水汽场在西部偏多,东部偏少,对流层中低层冷空气活动偏弱,暖湿气流活动较强,急流带北移较快,辐合流场位置偏北偏东,导致了积分后期预报降水与实况出现较大偏差,盆地东北部降水偏弱,预报降水落区偏东、偏北.探空分析还指出,盆地测站温度偏差较大,可能是受复杂地形条件下插值误差以及观测误差影响所致,由于盆地测站风向受周边地形影响较大,各站和各层分析风的不确定性较大.误差分析揭示了高度场预报偏低,温度场偏高,地面气压偏低等基本特征,误差的来源需要作进一步的数值试验与动力诊断分析.     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

西北区域数值预报业务试验系统基本要素预报效果检验

利用全国地面及高空站点观测资料,对西北区域数值预报业务试验系统(northwest mesoscale numerical prediction system,NW-MNPS)2015年5月1日至2016年4月31日的预报结果进行检验分析,评估NW-MNPS模式对西北区域地面、高空要素及降水的预报效果。结果表明:NW-MNPS模式对西北区域气象要素预报整体效果较好,误差均在合理范围内。其中,对地面2 m温度预报白天偏低,夜晚偏高,昼夜差偏小;对2 m比湿预报白天偏高,夜晚偏低,昼夜差偏大;对10 m风速预报整体偏大。该模式对高空温度预报偏低,比湿预报偏高,风速预报低层偏大、高层偏小;对24 h降水预报,小雨、中雨的预报普遍偏多,而对大雨及以上量级的预报普遍偏少,尤其是大暴雨的预报。     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

Validating a regional climate model’s downscaling ability for East Asian summer monsoonal interannual variability

Performance of a regional climate model (RCM), WRF, for downscaling East Asian summer season climate is investigated based on 11-summer integrations associated with different climate conditions with reanalysis data as the lateral boundary conditions. It is found that while the RCM is essentially unable to improve large-scale circulation patterns in the upper troposphere for most years, it is able to simulate better lower-level meridional moisture transport in the East Asian summer monsoon. For precipitation downscaling, the RCM produces more realistic magnitude of the interannual variation in most areas of East Asia than that in the reanalysis. Furthermore, the RCM significantly improves the spatial pattern of summer rainfall over dry inland areas and mountainous areas, such as Mongolia and the Tibetan Plateau. Meanwhile, it reduces the wet bias over southeast China. Over Mongolia, however, the performance of precipitation downscaling strongly depends on the year: the WRF is skillful for normal and wet years, but not for dry years, which suggests that land surface processes play an important role in downscaling ability. Over the dry area of North China, the WRF shows the worst performance. Additional sensitivity experiments testing land effects in downscaling suggest the initial soil moisture condition and representation of land surface processes with different schemes are sources of uncertainty for precipitation downscaling. Correction of initial soil moisture using the climatology dataset from GSWP-2 is a useful approach to robustly reducing wet bias in inland areas as well as to improve spatial distribution of precipitation. Despite the improvement on RCM downscaling, regional analyses reveal that accurate simulation of precipitation over East China, where the precipitation pattern is strongly influenced by the activity of the Meiyu/Baiu rainfall band, is difficult. Since the location of the rainfall band is closely associated with both lower-level meridional moisture transport and upper-level circulation structures, it is necessary to have realistic upper-air circulation patterns in the RCM as well as lower-level moisture transport in order to improve the circulation-associated convective rainfall band in East Asia.     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9~11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明:模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。      

Impact of surface observations on simulation of rainfall over NCR Delhi using regional background error statistics in WRF-3DVAR model

In this study, efforts are made to improve the simulation of heavy rainfall events over National Capital Region (NCR) Delhi during 2010 summer monsoon, using additional observations from automatic weather stations (AWS). Two case studies have been carried out to simulate the relative humidity, wind speed and precipitation over NCR Delhi in 48-h model integrations; one from 00UTC, August 20, 2010, and the other from 00UTC, September 12, 2010. Several AWS installed over NCR Delhi in the recent past provide valuable surface observations, which are assimilated into state-of-the-art weather research and forecasting (WRF) model using the three-dimensional variational data assimilation (3DVAR). The quality of background error statistics (BES) is a key component in successful 3DVAR data assimilation in a mesoscale model. In this study, the domain-dependent regional background error statistics (RBS) are estimated using National Meteorological Center method in the months of August and September 2010 and then compared with the global background error statistics (GBS) in the WRF model. The model simulations are analyzed and validated against AWS and radiosonde observations to quantify the impact of RBS. The root mean square differences in the spatial distributions of precipitation, relative humidity and wind speed at the surface showed significant differences between both the global and regional BES. Similar differences are also observed in the vertical distributions along the latitudinal cross section at 28.5°N. Model-simulated fields are analyzed at five different surface stations and one upper air station located in NCR Delhi. It is found that in 24-h model simulation, the RBS significantly improves the model simulations in case of precipitation, relative humidity and wind speed as compared to GBS.     

AREM模式对"05.7"四川大暴雨的敏感性试验

利用AREM中尺度数值模式,对2005年7月8日四川盆地大暴雨天气过程进行了数值模拟,比较分析了AREM模式提供的不同降水方案、地表通量方案、地表辐射参数化方案对此次降水过程的模拟,以及对该过程中西南低涡活动特征的模拟。试验结果表明:各方案较好地反映了四川盆地西南部强降水,对其东北部的强降水模拟存在较大偏差;各方案模拟的涡度场和流场分布决定了降水区域分布;采用降水的显式云微物理过程和大尺度饱和凝结过程模拟的降水强度、低涡强度和低空急流有一定差异,后者模拟的偏强,与实况更接近;不同地表通量过程和地表辐射过程对降水、低涡和低空急流的模拟无明显差异。     

基于MIROC/WRF嵌套模式的中国气候降尺度模拟

开展了基于嵌套的全球模式MIROC和区域气候模式WRF的动力降尺度模拟试验,检验该模式对中国气候的模拟性能,得到以下结论:全球气候模式MIROC和WRF都能较好地模拟出中国年平均地表气温(下文简称气温)分布。WRF模式对气温场的描述更为细致,模拟出了四川盆地高温和中国最北方区域的低温。两个模式总体上对南方降水模拟好于北方地区,东部地区好于西部地区。MIROC模式模拟的年平均和各季节降水与观测的 空间相关系数在0.79～0.83之间,表明它对降水的模拟较好。WRF模式模拟的降水空间分布好于MIROC模式。MIROC模式在青藏高原东南侧存在虚假降水中心,WRF能有效改进该地区降水的模拟。两个模式对年平均气温和降水年际变率的模拟能力均较差,WRF模式相对MIROC模式有一定改进。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

A Methodological Study on Using Weather Research and Forecasting(WRF) Model Outputs to Drive a One-Dimensional Cloud Model简

A new method for driving a One-Dimensional Stratiform Cold （1DSC） cloud model with Weather Research and Fore casting （WRF） model outputs was developed by conducting numerical experiments for a typical large-scale stratiform rainfall event that took place on 4-5 July 2004 in Changchun, China. Sensitivity test results suggested that, with hydrometeor pro files extracted from the WRF outputs as the initial input, and with continuous updating of soundings and vertical velocities （including downdraft） derived from the WRF model, the new WRF-driven 1DSC modeling system （WRF-1DSC） was able to successfully reproduce both the generation and dissipation processes of the precipitation event. The simulated rainfall intensity showed a time-lag behind that observed, which could have been caused by simulation errors of soundings, vertical velocities and hydrometeor profiles in the WRF output. Taking into consideration the simulated and observed movement path of the precipitation system, a nearby grid point was found to possess more accurate environmental fields in terms of their similarity to those observed in Changchun Station. Using profiles from this nearby grid point, WRF-1DSC was able to repro duce a realistic precipitation pattern. This study demonstrates that 1D cloud-seeding models do indeed have the potential to predict realistic precipitation patterns when properly driven by accurate atmospheric profiles derived from a regional short range forecasting system, This opens a novel and important approach to developing an ensemble-based rain enhancement prediction and operation system under a probabilistic framework concept.     

利用区域气候模式对我国南方百年气温和降水的动力降尺度模拟

本文采用NCAR的WRF3.5.1模式,以NOAA的20世纪再分析资料作为区域气候模式的初始场和侧边界场,对东亚地区进行了百年以上(1900~2010年)尺度、水平分辨率为50 km的动力降尺度数值模拟试验。通过与观测气候资料的对比,分析了驱动场(20世纪再分析资料)和区域气候模式对我国南方地区近50年(1961~2010年)气温和降水的气候平均态的模拟能力。结果表明:经过动力降尺度的区域气候模式试验结果能更好地模拟我国南方地区气温气候平均态和季节循环。WRF模式模拟的气温与观测的气温的空间相关系数均在0.97以上。年平均和夏季,WRF模式模拟的气温与观测的气温的偏差大多介于-1°C到+1°C之间。对于降水,WRF模式显著提高了我国南方降水的模拟能力。和驱动场相比,WRF模式模拟的降水与观测的偏差明显减小。夏季,WRF模式模拟的降水空间相关系数在0.5以上。由此延伸至对近百年我国南方地区三个子区域(华南地区、江淮地区和西南地区)四个时段(1914~1942年、1943~1971年、1972~2000年和2001~2010年)的分析,结果表明区域气候模式动力降尺度的结果在区域平均的气温和降水的模拟数值上与观测比较接近,夏季模拟能力有明显的提高,冬季存在气温模拟偏低的误差。对气温趋势分析表明,在20世纪40年代以后的两个时间段,区域气候模式明显提高了气温变化线性趋势的模拟性能。